● 摘要
热障涂层（TBCs）是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高金属热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。目前广泛使用的氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）热障涂层材料的长期最高使用温度不能超过1200℃，在冷却过程中由于相变产生单斜相而发生体积膨胀，从而导致涂层失效。然而，下一代高性能航空发动机热障涂层材料的长期使用温度必须超过1200℃，因此，研究新型热障涂层材料已成为研制下一代高性能航空发动机的关键课题。本文针对以上要求制备了一种新型热障涂层材料La2Ce2O7 (LC)，并对其相关物理性能和沉积工艺进行了系统的研究。采用氧化物掺杂改性的方法，解决了La2Ce2O7热障涂层材料在低温段热膨胀系数下降的问题。研究结果表明，作为一种新型热障涂层材料，La2Ce2O7与8YSZ相比，具有较高的热膨胀系数(12.3×10-6K-1, 300-1200℃)和较低的热导率(0.51Wm-1K-1, 1000℃)，在1400℃长期热处理后没有相变发生，具有很高的相稳定性。但是，La2Ce2O7的热膨胀系数在200-350℃之间存在异常下降现象，将会在热循环过程中由于陶瓷层与粘结层热膨胀不匹配而降低热障涂层的寿命。通过增加La2Ce2O7中CeO2的含量以及掺杂Ta2O5或者WO3有效地抑制了低温段晶格收缩现象，DSC结果表明，掺杂Ta2O5的铈酸镧在200-1400℃范围内具有很好的相稳定性。研制了高温燃气自动热循环模拟装置，解决了在1200℃以上对热障涂层热循环实验难以进行的问题。由于采用高温炉的热循环实验不能真实反映涂层实际使用条件下的寿命，而且目前的高温合金及粘结层的耐温能力均不高于1150℃，研制了高温燃气自动热循环模拟装置，模拟涡轮发动机叶片实际工作环境对制备的热障涂层进行合理有效地热循环寿命评价。克服了热障涂层制备过程中涂层成分偏差问题，获得了与设计相近的涂层成分。不论是采用等离子喷涂（APS）还是电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备涂层，由于La2O3和CeO2的蒸气压不同会造成涂层成分偏离原始成分。通过调节等离子喷涂粉末或EB-PVD靶材的成分并控制沉积参数获得了综合性能最优的涂层成分。提出了8YSZ/LC双层结构热障涂层，采用APS、EB-PVD制备了热障涂层，研究了热障涂层在陶瓷层表面温度为1250℃、基体温度为950℃条件下的热循环性能。8YSZ/LC双层结构热障涂层的热循环寿命不仅比LC单层结构的寿命高大约6倍，而且比8YSZ涂层的寿命也长约30%。因此，8YSZ/LC双层结构热障涂层是一种很有希望替代8YSZ涂层并且能在1200℃以上长期稳定工作的涂层体系。双层陶瓷层热障涂层具有较高热循环寿命的原因在于有效地避免了铈酸镧与TGO中的Al2O3反应生成LaAlO3。关键词：陶瓷，热障涂层，La2Ce2O7，等离子喷涂，电子束物理气相沉积
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